计算机组成原理 —— 总线和 I/O
2024年1月22日 晴天
不知道说啥，最近特别蠢，把自己吹感冒连续半个月，将近一个月。
第六章 总线
综合题 - 1
某总线的时钟频率为 66MHz，在一个 64 位总线中，总线数据传输的周期是 7 个时钟周期传输 6 个字的数据块。
（1）总线的数据传输率是多少?
（2）若不改变数据块的大小，而将时钟频率减半，这时总线的数据传输率是多少？
解析：
（1）velocity = quantity * frequency = 64/8 * 6/7 * 66 * 10^6 hz = 452.6 MB/s
（2）v = q * f = 64/8 * 6 / 7 * (66/2) MHz = 226.3 MB/s
综合题 - 2
某总线支持二级 Cache 块传输方式，若每块 6 个字，每个字长 4 字节，时钟频率 100 MHz。
（1）读操作时，第一个时钟周期接收地址，第二、三个为时延周期，另用 4 个周期传送一个块。读操作的总线传输率是多少？
（2）写操作时，第一个时钟周期接收地址，第二个为延时周期，另用 4 个周期传送一个块，写操作的总线传输速率是多少？
（3）设在全部的传输中，70%用于读，30%用于写，该总线在本次传输中的平均传输速率是多少？
解析：
（1）每个主存块 = 6*4 = 24 B
每个时钟周期读操作数据 24B / 7 = 24/7 B —— 前摇的动作也要算入！
bit rate = quanity * frequency = 24/7 B * 100 MHz = 342.9 MB/s
（2）每个时钟周期写操作数据 24B / 6 = 4B
bit rate = quantity * frequency = 4B * 100 MHz = 400 MB/s
（3）平均读写速度 = 0.7 * 342.9 MB/s + 0.3 * 400 MB/s = 240 MB/s + 120 MB/s = 360 MB/s
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综合题 - 1
在异步串行传输方式下，起始位为 1 位，数据位为 7 位，偶校验位为 1 位，停止位为 1 位，若波特率为 1200 b/s ，问这时的有效数据传输速率为多少？
解析：
1.ASCII 一共 10 比特
2.这里的波特率是 b/s，有效数据传输率 = 速率 * 有效比特的比例 = 1200 b/s * 7/10 = 840 b/s
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综合题 - 1
硬磁盘共有 4 个记录面，存储区域内半径为 10 cm，外半径为 15.5 cm，道密度为 60 道/cm，外层位密度为 600 bit/cm，转速为 6000 转/分。
（1）硬磁盘的磁道总数是多少？
（2）硬磁盘的容量是多少？
（3）将长度超过一个磁道容量的文件记录在同一个柱面上是否合理？
（4）采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么？寻址命令中磁盘地址如何表示？
（5）假定每个扇区的容量为 512B，每个磁道有 12 个扇区，寻道的平均等待时间为 10.5 ms，试计算磁盘平均存取时间。
解析：
（1）半径差 = 15.5 - 10 = 5.5CM， 磁道 = 60 道/CM * 5.5 CM = 330 道， 磁道总数 = 4 * 330 = 1320 道
（2）外层磁道长度 = 2*Pi*R = 2 * 3,14 * 15.5 = 97.34 CM
每条磁道比特数量 = 97.34 CM * 600bit/CM = 7300.5 字节
磁盘总比特数 = 7300.5 字节 * 1320道 = 9636000字节
（3）文件长度超过一个磁道，可以记录在同一个柱面，这样可以避免重新寻道。
（4）定长数据块，直接寻址的最小单位是【扇区】
磁盘地址结构: 硬盘号（2位） + 柱面号（9位） + 扇区号（4位）
最多可以有，4个磁盘，8个记录面，每个面最多 128 个磁道，每道最多 16 个扇区。
（5）读取扇区的时间 = 磁头内外径的时间 + 盘片自转时间 + 扫过扇区时间
= 平均寻道时间 + 盘片旋转一圈的时间/2 + 扫过扇区时间
A 平均寻道时间 10.5 ms
B 盘片转一圈时间 / 2 = 60s / 6000转 * 0,5 = 5ms
C 盘片转一圈时间 10 ms ，扫过 12 个扇区。因此，扫过一个扇区的时间 = 10ms / 12 = 0.83 ms
因此，读取扇区时间 = 10.5 ms + 5 ms + 0.83 ms = 16.33 ms
【注意】 注意这里扫过扇区的时间。一圈是 12 个扇区，因为这类题比较少。此前，同类题目，计算的是扫过扇区时间（也就是读取扇区的时间），和传输对应数据的时间。
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综合题 -1
在 DMA 方式下，主存和 I/O 设备之间有一条物理通路 相连吗？
答：不是。DMA 方式下，I/O设备与主存连接的通路，必须通过 CPU。
综合题 - 2
问题：
（1）一个完整的指令周期，包括哪些 CPU 工作周期？
（2）中断周期前和中断周期后各是 CPU 的什么工作周期？
（3）DMA 周期前和 DMA 周期后各是 CPU 什么工作周期？
解析：
（1）完整的指令周期：取址、间址、执行、中断
（2）中断之前是执行；中断之后是下一个指令的取址
（3）DMA 周期前后都是机器周期。
综合题 - 3
假定某 I/O 设备向 CPU 传送信息的最高频率为 4 万次/秒，而相应中断处理程序的执行时间为 40 微秒，则该 I/O设备是否可采用中断方式工作？为什么？
解析：
I/O和CPU之间传送一次为 1/40000 = 25 微秒
处理中断 40 微秒
这意味着，中断还没处理完，CPU 又会发送传输请求。这会使得数据丢失，因此不能采用中断方式。
综合题 - 4
在程序查询方式的输入/输出系统中，假设不考虑处理时间，每个查询操作需要 100 个时钟周期，CPU 时钟频率为 50 MHz。现有鼠标和硬盘两个设备，而且 CPU 必须每秒对鼠标进行 30 次查询，硬盘以 32 位字长为单位传输数据，即每 32 位被 CPU 查询一次，传输率为 2 * 2^20 B/s。求 CPU 对这两个设备查询所花费的时间比率，由此可得出什么结论？
解析：
1.用 CLK 计算
2.鼠标。每秒查询 30 次 * 100 CLK = 每秒占用 3000CLK
每秒 3000 / 50M = 60 * 10^(-6) = 0.006%
3.硬盘。4字节查一次。时间 = Quantity / Velocity = 4字节 / 2*2^20 字节/秒 =2^(-19) 秒
每秒查询 2^19 次
硬盘占用比例 = 2^19 / 50M= 512K/50M = 102.4%
CPU全部时间都不足以查询硬盘，因此不用这个方式与硬盘交互。
综合题 - 5
【2009】某计算机的 CPU 主频 500 MHz，CPI 为5（即执行每条指令平均需 5 个时钟周期）。假定某外设的数据传输率为 0.5 MB/s ，采用中断方式与主机进行数据传送，以 32 位为传输单位，对应的中断服务程序包含18 条指令，中断服务的其他开销相当于 2 条指令的执行时间，回答问题，并给出计算过程。
（1）在中断方式下，CPU 用于该外设的 I/O 时间占整个 CPU 时间的百分比是多少？
（2）当该外设的数据传输率达到 5 MB/s 时，改用 DMA 方式传送数据。假定每次 DMA 传送块大小为 5000B，且 DMA 预处理和后处理的总开销为 500 个时钟周期，则 CPU 用于该外设 I/O 的时间占整个 CPU 时间的百分比是多少（假设 DMA 与 CPU 之间没有访存冲突）？
解析：
（1）分为中断需要的 CLK，以及传数据需要的 CLK
中断需要的 CLK = （18+2） * 5 = 100 CLK
一次传数据需要的时间 = 4字节 / 0.5 MB/s = 8 / (10^6) s = 8 微秒
每秒传数据次数 = 1/ 8 微秒 = 125000 次
处理 I/O 的百分比 = （100 + 125000） / 500M = 0.25 * 10^(-3) = 0.025% —— 这是错的
处理 I/O 百分比 = （100 * 125000 ） / 500M = 2.5% —— 这是对的。每秒传送 125000 次，每次需要 100 CLK。
（2）
DMA 每秒传 1000 次，每次 500 CLK，每秒 500 000 CLK
I/O 百分比 = 500 000 / 500M =0.1%
【注意】 DMA 每次处理，只有预处理和后处理。
综合题 - 6
【2012】假定某计算机的 CPU 主频为 80 MHz，CPI 为 4，平均每条指令访存 1.5 次，主存与 Cache 之间交换的块大小为 16B，Cache 的命中率为 99%， 存储器总线带宽为 32 位，回答：
（1）该计算机的 MIPS 是多少？ 平均每秒 Cache 缺失的次数是多少？在不考虑 DMA 传送的情况下，主存带宽至少达到多少才能满足 CPU 的访存要求？
（2）假定在 Cache 缺失的情况下访问主存时，存在 0.0005% 的缺页率，则 CPU 平均每秒产生多少次缺页异常？若页面大小为 4KB ，每次缺页都需要访问磁盘，访问磁盘时 DMA 传送采用周期挪用方式，磁盘 I/O 接口的数据缓冲寄存器为 32 位，则磁盘 I/O 接口平均每秒发出的 DMA 请求次数至少是多少？
（3）CPU 和 DMA 控制器同时要求使用存储器总线时，哪个优先级更高？为什么？
（4）为了提高性能，主存采用 4 体低位交叉存储模式，工作时每 1/4 个存储周期启动一个体，若每个体的存储周期为 50ns，则该主存能 提供的最大带宽是多少？
解析：
（1）每个 CLK 指令数 = 1/4 ， 每秒 80M 个 CLK，于是 每秒指令数 = 1/4 * 80M = 20M Instructions 。故 MIPS 为 20。 —— 这是对的
Cache 缺失率 = 1%， 每条指令平均访存 1.5次。
平均每秒 Cache 缺失次数 = 每条指令访存次数 * 每秒指令数量 * （1-99%） = 1.5 * 20M * 1% = 300K
（2）每秒产生的缺页异常 = 300K* 0.0005% = 1.5 次
每秒平均访问页面大小 = 4KB * 1.5 = 6KB , 请求次数 = 6KB / 4B =1.5 * 1024 = 1536次
（3）DMA 请求优先级更高，因为是周期挪用的方式
（4）最大带宽（速度） = 4* 4B / 50ns = 320 MB/s
ns = 10^(-9) s
【注意】 这里一个体的大小，和端口寄存器一致。
综合题 - 7
【2016】假定 CPU 主频为 50MHz ，CPI 为 4，设备 D 采用异步串行通信方式向主机传送 7 位 ASCII 码字符，通信规程中有 1 位奇校验位和 1 位停止位，从 D 接收启动命令到字符送入 I/O 端口需要 0.5ms。回答：
（1）每传送一个字符，在异步串行通信线上共需传输多少位？在设备 D 持续工作过程中，每秒最多可向 I/O 端口送入多少个字符？
（2）设备 D 采用中断方式进行输入/输出。示意图如下：
I/O 端口每收到一个字符申请一次中断，中断响应需 10 个时钟周期，中断服务程序共有 20 条指令，其中第 15 条指令启动 D 工作。若 CPU 需从 D 读取 1000个字符，则完成这一任务所需时间大约是多少个时钟周期？CPU 用于完成这一任务的时间大约是多少个时钟周期？ 在中断响应阶段 CPU 进行了哪些操作？
解析：
（1）传送一个 ASCII 码，需要 10 位。 —— 这个一定要记住！
每秒向 I/O 端口送的次数 = 1 / 0.5 ms = 2000次
每次输送 10 比特，于是每秒向 I/O 端口送 2000 * 10 bit = 2000个字符。
（2）中断响应 10 CLK
中断服务 20 Inc. * 4 = 80 CLK
中断一次耗去 90CLK
读取 1000 字符 = 1000 * 90 CLK = 90000 CLK
针对第二小题"完成这一任务的时间"
第一，处理中断服务程序，前 15 条指令可以用 CPI来计算。后面 5 条指令，传输 D 的内容。
第二，因为题目给出【D设备启动，到将数据送到端口寄存器】，这是后面 5 条指令的效果。既然给出时间，直接用题目给出的【时间】变量。
D设备启动 -> 数据送到端口寄存器，需要 0.5 ms，CPU 标准时间 1/50M s/CLK。因此，D设备启动直至数据送到端口寄存器，这段时间需要 0.5 ms / （1/50M） = 25000 CLK
第三，中断完成数据传送至端口寄存器，总时钟周期 = 中断响应 10 CLK + 前 15 条指令 15 * 4 CLK + 后 5 条指令 25000 CLK = 25070 CLK
1000 个字符需要的 CLK = 1000 * 25070 = 2.507 * 10^7 CLK
中断响应：关中断、保护断点、程序状态、识别中断源。
综合题 - 8
设某计算机有 4 个中断源 1、2、3、4，其硬件排队优先次序按 1 - 2 - 3 - 4 降序排列，各中断源的服务程序中所对应的屏蔽字如下所示
（1）给出上述 4 个中断源的中断处理次序。
（2）若 4 个中断源同时有中断请求，画出 CPU 执行程序的轨迹。
解析：
（1）看列。因此，中断次序，3-1-4-2
（2）如果原来的中断源顺序是 1-2-3-4
执行顺序， 1-2（中断1）-3（执行完 2，再执行1，再执行3） - 4（可中断1，不可中断2，可中断3，如全部执行完，则直接执行4）
综合题 - 9
假设磁盘采用 DMA 方式与主机交换信息，其传输速率为 2 MB/s ，而且 DMA 的预处理需要 1000 个时钟周期，DMA 完成传输后处理中断需要 500 个时钟周期。若平均传输的数据长度为 4KB，试问在硬盘工作时，50 MHz 的处理器需用多大的时间比率进行 DMA 辅助操作（预处理和后处理）？
解析：
1.CPU 每秒钟 50M CLK
2.DMA 预处理+后处理一共多少个 CLK？一共 1000 + 500 = 1500 CLK
DMA 每秒处理的次数 = 2 MB/s / 4KB = 0.5 * 1024 次/秒 = 512 次/秒
DMA 每秒占用 CLK 个数 = 1500 CLK/次 * 512 次/秒 = 768000 CLK/秒
综上，DMA占用CPU比例 = 768000 CLK / 50M = 1.536%
综合题 - 10
一个 DMA 接口可采用周期窃取方式把字符传送到存储器，它支持的最大批量为 400B。若存取周期为 0.2微秒，每处理一次中断需 5 微秒，现有的字符设备的传输率为 9600 b/s。假设字符之间的传输时无间隙的，试问 DMA 方式每秒因数据传输占用处理器多少时间？若完全采用中断方式，又需占处理器多少时间（忽略预处理所需时间）？
解析：
（1）数据传输
字符设备速度 = 1200 B/s —— 自己没做对！因为概念不清晰！
每秒传 1200B，因此需要 1200 个存取周期。 —— 这里是这样理解的。存取周期，针对读写主存或寄存器，读写一次的数据量，是一个字，或一个字节。【周期窃取】=【周期挪用】
每次能传 400 B，因此，每秒需要传 1200B / 400B = 3次
需要的时间 = 3*5微秒 + 0.2微秒*1200 = 255 微秒
（2）中断
中断的话，1200 次中断
时间 = 5微秒 * 1200 = 6000 微秒 = 6 毫秒
注意：对于【存取周期】理解不深刻。存取周期，一次传的数据，即一个字，或者一个字节。
综合题 - 11
假设磁盘传输数据以 32 位的字为单位，传输速率 1MB/s，CPU 的时钟频率为 50 MHz。回答：
（1）采取程序查询方式，假设查询操作需要 100 个时钟周期，求 CPU 为 I/O 查询所花费时间比率（假设进行足够的查询以避免数据丢失）？
（2）采用中断方式进行控制，每次传输的开销（包括中断处理）为 80 个时钟周期。求 CPU 为传输硬盘所花费的时间比率。
（3）采用 DMA 方式，假定 DMA 的启动需要 1000 个时钟周期，DMA 完成时后处理需要 500 个时钟周期，若平均传输的数据长度为 4KB，试问硬盘工作时处理器将用多少时间比率进行输入/输出操作？忽略 DMA 申请总线的影响。
解析：
（1）每秒查询次数 = 传输速度 / 数据量 = 1MB/s / 4B = 256 * 1024 次/秒 = 262144 次/秒
每秒需要的时钟周期 = 262144次 * 100 CLK = 26214400 CLK
占用 CPU 比率 = 26214400 / 50M = 52.4%
（2）每秒传输的次数 = 传输速率 / 一次传输数据量 = 1MB/s / 4B = 262144 次/秒
每秒需要的 CLK = 262144 次 * 80 = 21M
占用CPU 比率 = 21M / 50M = 41.9%
（3）DMA方式，跑一次需要 1500 CLK
每秒CPU传的次数 = 1 MB/s / 4KB = 256 次/秒
1500 * 256 = 384K
CPU比例 = 384K / 50M = 0.768%
综合题 - 12
【2018】假定计算机的主频为 500MHz，CPI 为 4，现有设备 A 和 B，其数据传输率分别为 2 MB/s 和 40 MB/s，对应 I/O接口中各有一个 32 位数据缓冲寄存器。回答问题：
（1）若设备 A 采用定时查询 I/O 方式，每次输入/输出都至少执行 10 条指令。设备 A 最多间隔多长时间查询一次才能不丢失数据？CPU 用于设备 A 输入/输出的时间占 CPU 总时间的百分比至少是多少？
（2）在中断 I/O 方式下，若每次中断响应和中断处理的总时钟周期至少为 400，则设备 B 能否采用中断 I/O 的方式？为什么？
（3）若设备 B 采用 DMA 方式，每次 DMA 传送的数据块大小为 1000B，CPU 用于 DMA 预处理和后处理的总时钟周期数为 500，则 CPU 用于设备 B 输入/输出的时间占 CPU 总时间的百分比最多是多少？
解析：
（1）每次 I/O 的CLK 数量 = 10条指令 * CPI = 40 CLK
每秒 I/O 次数 = 速度 / 每次传的数据量 = 2 MB/s / 4B = 512 K次
每秒 CLK = 40 * 512K = 20M
CPU比率 = 20M / 50M = 40%
（2）B设备每秒 I/O 次数 = 40 MB/s / 4B = 10M
每秒中断响应和中断处理的 CLK = 10M * 400 = 4000M > 500M
说明 CPU 处理不了，因此不能用中断方式。
（3） 每秒 I/O 次数 = 速度 / 每次传输的数据量 = 40 MB/s / 1000B = 40K次
每秒需要的 CLK = 40K * 500 = 20 M
CPU比率 = 20M / 500M = 4%
总结：2024年1月24日，距离考试考完已经一个月了。本人表示，学习要是做了几道题还没感觉，结论只有一个，就是共性的部分，还未获取到！
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